航空飛行試驗工程大數(shù)據(jù)管理與應(yīng)用分析

韓成杰

（中航西飛試飛站，陜西 西安 710089）

1 項目大數(shù)據(jù)的特征

航空飛行試驗工程系統(tǒng)復(fù)雜，其涉及的部門之廣，涉及的過程之復(fù)雜，涉及的專業(yè)知識之多都是可數(shù)的。此外，因為飛機系統(tǒng)較為復(fù)雜，所以系統(tǒng)在試驗時其周期都比較長并且還較難控制風(fēng)險，這就導(dǎo)致系統(tǒng)的事故率經(jīng)常降不下來，也就時常引發(fā)機毀人亡的事故。另外，系統(tǒng)研發(fā)的耗資巨大，正常要占達產(chǎn)品總研制投資的50%以上。研究所獲得的數(shù)據(jù)表現(xiàn)出的特征是非常典型的大數(shù)據(jù)所擁有的特征[1]。

另外，除了大數(shù)據(jù)所具有的4V特征以外，其還具備著以下特征：

（1）精確性要求高。必須真實、精確、完整、可靠。

（2）非結(jié)構(gòu)化。復(fù)雜性，97%的無法結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)，難以分析處理。

航空素來有“工業(yè)之花”的美譽，與之相關(guān)的裝備在試驗時的復(fù)雜程度決定了其試飛數(shù)據(jù)的復(fù)雜。其對應(yīng)的試飛數(shù)據(jù)所表現(xiàn)出的機器、各系統(tǒng)間的綜合狀態(tài)都包含了各種各樣極其復(fù)雜且多變的、在真實運行狀態(tài)下的環(huán)境條件因素，并且其中還包含了工程科技和各種狀態(tài)糾纏下的復(fù)雜邏輯交互，可想而知其復(fù)雜程度。

如下圖，為此項相應(yīng)大數(shù)據(jù)寓性特征。

圖1 試飛工程大數(shù)據(jù)的屬性特征

本項目中的大數(shù)據(jù)和其他行業(yè)中的大數(shù)據(jù)一樣，越來越復(fù)雜的因素和逐漸擴大的行業(yè)規(guī)模都給與之對應(yīng)的管理工作和處理工作帶來了挑戰(zhàn)。隨著科技的不斷進步，不斷發(fā)展的航空裝備對本項大數(shù)據(jù)的管理以及應(yīng)用方面的廣度和深度，對于其處理效率以及功能方面的全面以及多樣等都提出了巨大的要求。本文在此分析了此類大數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)特點，與近年來我國在這一項目的應(yīng)用實踐以及工作管理中所取得的相關(guān)研究成果相互結(jié)合，并且深入分析本項行業(yè)技術(shù)所能夠發(fā)展的未來方向，進而針對性的對此項管理以及應(yīng)用提出若干建議。

2 飛行試驗工程的大數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

本項目所形成的數(shù)據(jù)是通過對試驗對象以及試驗工程全過程進行涵蓋所形成的。

下圖是本項目試驗中，各項目的工程數(shù)據(jù)所形成的管理結(jié)構(gòu)模型。

航空產(chǎn)品的生命周期應(yīng)當(dāng)包括設(shè)計的制造、設(shè)計的試驗以及保障4個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

圖2 航空飛行試驗工程數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型

本類工程大數(shù)據(jù)管理結(jié)構(gòu)的模型設(shè)計，可以從以下方面進行：

2.1 結(jié)合傳統(tǒng)以及現(xiàn)代數(shù)據(jù)倉庫的設(shè)計思想

以前的數(shù)據(jù)庫所要解決的是業(yè)務(wù)之間自動化模塊的處理問題，目的是為了有效實現(xiàn)項目之間能夠進行聯(lián)機處理，而現(xiàn)在數(shù)據(jù)庫所要解決的卻是遺留下來的歷史數(shù)據(jù)中的工程業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，通過對這些數(shù)據(jù)進行分析，進而實現(xiàn)總體業(yè)務(wù)的有效決策。因此，本類數(shù)據(jù)庫的管理不僅要滿足其下所有型號在試驗后產(chǎn)生數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理，同時還應(yīng)當(dāng)進行有效處理，并且還要對相關(guān)試驗所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進行客觀上的積累以及管理，以此來滿足工程在試驗時的分析需要以及在試飛數(shù)據(jù)進行回查時的需要。

對于一種型號的航空器來說，其在進行飛行試驗時往往都會進行幾千架次的試驗，而每一次所產(chǎn)生的各種數(shù)據(jù)信息都幾乎會超過或者接近1TB，而且這些數(shù)據(jù)一般都不會被刪除掉，而是會緊緊伴隨著航空器的生命周期一直存在，項目的數(shù)據(jù)在進行管理時不僅要滿足持續(xù)試飛時數(shù)據(jù)在處理時的需要，還會伴隨著試飛任務(wù)的不斷進行而深入展開，不斷的進行抽取，通過提煉歷史綜信來滿足試飛工程時的決策分析，同時還應(yīng)當(dāng)符合數(shù)據(jù)倉庫的特點，如集成、時變以及穩(wěn)定等，并且還應(yīng)當(dāng)兼顧試飛時的業(yè)務(wù)需求以及航空科研時相關(guān)數(shù)據(jù)的需要。

2.2 通過建立元數(shù)據(jù)的接口標(biāo)準(zhǔn)，滿足本類數(shù)據(jù)庫設(shè)計需要

元數(shù)據(jù)是一種提供信息資源或者關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)，它是數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)，同時也是一種信息資源的結(jié)構(gòu)化描述。其為數(shù)據(jù)倉庫中心庫，是我們組織、維管此類應(yīng)用模型的基礎(chǔ)紐帶。

故，要針對此類工程的數(shù)據(jù)信息之特點，設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化的元數(shù)據(jù)接口，實現(xiàn)有機地關(guān)聯(lián)、聚合起繁雜資訊，從而形成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)倉庫。

2.3 航空大數(shù)據(jù)的可視化技術(shù)

本項技術(shù)，是一種借助圖形化手段，來，明晰地傳達關(guān)聯(lián)航空裝備運行狀態(tài)的諸多信息技術(shù)，其代表為虛擬現(xiàn)實技術(shù)。比如：于飛行器的設(shè)計階段早期，虛擬現(xiàn)實技術(shù)通過數(shù)字樣機實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的可視化，借助更直觀的方式將項目設(shè)計人員對復(fù)雜系統(tǒng)的理解真正提升。

其他類似技術(shù)還包括，基于裝備損傷數(shù)據(jù)的相關(guān)三維建模。如加拿大的NGRAIN公司開發(fā)出數(shù)字化解決工具，可允許對應(yīng)地勤人員現(xiàn)場能實時收集戰(zhàn)斗機之損傷數(shù)據(jù)，并進行三維結(jié)構(gòu)的建模，大大降低了工作人員主觀誤判的程度，有效地把戰(zhàn)斗機的修復(fù)效率提高，此項技術(shù)今已應(yīng)用于美軍戰(zhàn)機項目。

2.4 圍繞試驗對象，設(shè)計一體化的本項大數(shù)據(jù)管理模型

每一次不同型號的試飛試驗都是相關(guān)產(chǎn)品在研制過程中的延續(xù)，并且在試飛時各業(yè)務(wù)流程之間相互緊扣并帶有技術(shù)復(fù)雜、專業(yè)性強等特點，因此應(yīng)進行對接。

其一體化主要表現(xiàn)在兩個方面：首先是通過對設(shè)計、制造等方面進行一體化處理，然后建立相關(guān)產(chǎn)品的數(shù)據(jù)接口，并維護所對應(yīng)數(shù)據(jù)的完整性以及一致性之間的關(guān)聯(lián)，從而對產(chǎn)品的改進和完善提供助力并進行最后的運維；其二是涵蓋本工程的全過程一體化，自項目規(guī)劃開始，到具體試驗設(shè)計進行及其保障和相應(yīng)總結(jié)。

“十三五”期間，我國將全面的啟動實施航空發(fā)動機、燃氣輪機的重大專項提升，同時包括C 919、C 929大飛機在內(nèi)的大量航空此項科研項目也將進入關(guān)鍵節(jié)點。亟待大數(shù)據(jù)技術(shù)能夠保駕護航上述項目的實施。通過以大數(shù)據(jù)為其研究資源和技術(shù)，繼而大力提升我航空領(lǐng)域的信息化支撐水平，該類技術(shù)將會在航空工程領(lǐng)域獲得更進一步的探索、應(yīng)用。

3 航空飛行試驗工程大數(shù)據(jù)管理與應(yīng)用思考

3.1 基于SOA的試飛工程大數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)架構(gòu)

本項內(nèi)容復(fù)雜，其共性特征未能掩蓋不同的領(lǐng)域，和諸多行業(yè)內(nèi)此項之物理與其邏輯應(yīng)用特性，亦更顯個中的復(fù)雜。

此一大數(shù)據(jù)既規(guī)模大，也具極強數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性，故而必須涵蓋項目全過程，從而妥善解決項目的完整性建模管理分析、與整合共享。

圖為相應(yīng)系統(tǒng)架構(gòu)。

飛行試驗工程的大數(shù)據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)是一種基礎(chǔ)架構(gòu)，它是單位在試飛全過程中對大數(shù)據(jù)信息的完整性以及可靠性進行管理和維護的一種架構(gòu)，同時也是本工程各項業(yè)務(wù)在工作開展中的平臺架構(gòu)，以及實際工程管理應(yīng)用中的一個一體化平臺，進而實現(xiàn)全面高效管理、應(yīng)用數(shù)據(jù)信息。

在邏輯方面，數(shù)據(jù)層是系統(tǒng)架構(gòu)的基礎(chǔ)層，同時也為每一類大數(shù)據(jù)匹配與其對應(yīng)的業(yè)務(wù)，而且還會以試驗對象為連接點進行互相關(guān)聯(lián)；項目的服務(wù)層一般會由面向服務(wù)的中間插件進行組成集合，以此來實現(xiàn)工程的管理和應(yīng)用的服務(wù)，亦包括系統(tǒng)級別的應(yīng)服組件，例如項目中的異構(gòu)數(shù)據(jù)的管理以及存儲、大數(shù)據(jù)中所包含的業(yè)務(wù)調(diào)度等相關(guān)的服務(wù)模塊，并通過面向服務(wù)架構(gòu)來實現(xiàn)相關(guān)應(yīng)用的管理等；頂層一般都是面向用戶的接口層，可以通過B/S等接口模式來有效實現(xiàn)用戶對于試驗大數(shù)據(jù)的應(yīng)用。

而此項大數(shù)據(jù)管理與應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)體系、飛其元數(shù)據(jù)之間的接口的標(biāo)準(zhǔn)，是整個系統(tǒng)架構(gòu)以及進行工程維護時的大數(shù)據(jù)完整性以及可靠性的重要支撐和紐帶，其貫穿于這項工程大數(shù)據(jù)管理的各個方面[2]。

3.2 航空飛行試驗工程大數(shù)據(jù)的一體化采集以及系統(tǒng)化的管理

通過下圖能夠有效的看出本項大數(shù)據(jù)是通過較少的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非常多的非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)組合而成的一個有機整體。下圖為本工程全生命周期，對應(yīng)數(shù)據(jù)的采集過程概要示意。

此類相應(yīng)系統(tǒng)涉及幾乎全部的工業(yè)專業(yè)，任何專業(yè)試驗和本項工程整體相同，都需經(jīng)過這5個過程。本項數(shù)據(jù)相互之間縱橫交錯，無論從哪個角度進行分析，都需要進行系統(tǒng)性的管理以及一體化的采集，這樣才能有效的保證所得到的試驗數(shù)據(jù)完整且全面，而這種方式也是基于應(yīng)用的生命周期的tdm類型技術(shù)的實現(xiàn)方法。

此外，隨著分析數(shù)據(jù)量增多以及航空裝備本就存在的系統(tǒng)耦合性，難以利用單純的統(tǒng)計分析方法準(zhǔn)確描述此類裝備的狀態(tài)變化，而以深度學(xué)習(xí)為代表的人工智能技術(shù)無需依賴復(fù)雜系統(tǒng)之內(nèi)部邏輯關(guān)系的表達，對于該種裝備中復(fù)雜的系統(tǒng)級故障之耦合非線性狀況抗干擾能力較強，在此項目分析技術(shù)中起重要的作用[3]。

3.3 通過專業(yè)需求作為牽引的數(shù)據(jù)處理和挖掘

這種大數(shù)據(jù)一般都是一種非常科學(xué)的系統(tǒng)性工程，其能夠充分反映出系統(tǒng)工程、飛機系統(tǒng)各專業(yè)之間的特征性數(shù)據(jù)，因此該類大數(shù)據(jù)是真實且科學(xué)的，同時也是研究價值較大的。

3.3.1 對本項實施數(shù)據(jù)處理挖掘進而提高試飛綜合效能

數(shù)據(jù)在進行挖掘時就是一種另類的知識發(fā)現(xiàn)過程，其一般是通過現(xiàn)代的數(shù)學(xué)方法以及數(shù)學(xué)原理并結(jié)合先進的信息技術(shù)進而提煉出原理與對應(yīng)的模型等[4]。

3.3.2 探索解決飛行器工程中科學(xué)難題的實用專業(yè)數(shù)據(jù)挖掘

而且，傳統(tǒng)基于故障物理模型、抑或?qū)＜抑R庫的預(yù)故方法，由于依賴實驗知識和工程系統(tǒng)內(nèi)部的邏輯關(guān)系描述，其對飛行器復(fù)雜系統(tǒng)里普存的高維度、涌現(xiàn)性還有非線性情況難以有效的進行處理[5]。

而此類數(shù)據(jù)資源的日益豐富，以及再次興起的機器學(xué)習(xí)，則為解決這些問題開創(chuàng)了一條新的思路——基于大數(shù)據(jù)分析技術(shù)的飛行器的系統(tǒng)級故障預(yù)測，即在系統(tǒng)、子系統(tǒng)、零部件、人為影響因素、相關(guān)的使用環(huán)境等方面產(chǎn)生的多維、海量數(shù)據(jù)之基礎(chǔ)上，運用機器學(xué)習(xí)以及統(tǒng)計手段，對故障樣本庫進行訓(xùn)練，于歷史數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上預(yù)測工程系統(tǒng)復(fù)雜故障現(xiàn)象的演變趨勢，立足客觀數(shù)據(jù)的角度，而非傳統(tǒng)故障機理或經(jīng)驗知識的角度，推測航行系統(tǒng)在未來某段時間內(nèi)的故障類型，從而實現(xiàn)此項系統(tǒng)級的對口故障預(yù)測[6]。

本類大數(shù)據(jù)中，非結(jié)構(gòu)化測試的大數(shù)據(jù)經(jīng)過分析及處理，其所得的數(shù)據(jù)結(jié)果一般是以時間為過程并進行同步軸的參數(shù)歷程數(shù)據(jù)，可以極為真實的反映出項目試飛員以及此類飛機系統(tǒng)在整體上的運行特征[2]。

4 結(jié)束語

筆者針對飛行試驗業(yè)務(wù)與其數(shù)據(jù)特點，結(jié)合多年來在此項中，管理與應(yīng)用方面的一系列業(yè)務(wù)實踐經(jīng)驗，參考業(yè)內(nèi)模型，將該類大數(shù)據(jù)之標(biāo)準(zhǔn)體系作為項目基礎(chǔ)，并實現(xiàn)涵蓋試飛工程的全過程，及去業(yè)務(wù)流程的數(shù)據(jù)質(zhì)控，并以一體化的運管應(yīng)用為工程平臺，較為完整和全面的建設(shè)、形成了一套此類大數(shù)據(jù)的高效運維治理技術(shù)體系，為航空科研新階段的“大數(shù)據(jù)科研新時代范式”，奠定了堅實的數(shù)據(jù)體系基礎(chǔ)。